宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801；
摘要：本文以某城市盾構式地下綜合管廊的監控報警系統設計為例，從項目特點、難點出發，闡述了智能監控與報警系統的設計，井探討了綜合管廊運維 管理（平臺）系統的功能設計。
關鍵詞:綜合管廊 監控與報警 一體化集成 運維管理 綜合管理平臺
1、概述
1.1綜合管廊發展背景
2013年（關千加強城市基礎設施建設的意見〉明確指出，在全國36 個大中城市啟動地下綜合管廊試點工程；中小城市因地制宜建設一批綜合管廊項目。新建道路、城市新區和各類園區地下管網應按照綜合管廊模式進行開發建設。接著辦公廳于 2015年發布（關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見〉，對管廊建設做出統籌規劃，其中工作目標：到2020年，建成一批具有國際先進水平的地下綜合管廊并投入運營， 反復開挖地面的“馬路拉鏈”問題明顯改善，管線安全水平和防災抗災能力明顯提升。從此，我國城市綜合管廊建設從過去的探索階段，正式步入調控、多方融資、統一規劃、綜合管理的平穩發展道路上來。2016 年，全國完成了開工建設城市地下綜合管廊2000公里以上的工作部署。
2015年，沈陽市成為全國首批10個地下綜合管廊試點城市之一，2016 年，地下綜合管廊項目（南運河段）工程獲得批復，進入設計與實施階段，目前已進入機電設備安裝階段。
1.2 項目概況
沈陽市地下綜合管廊（南運河段）工程（以下簡稱南運河段綜合管廊），起點位千南運河文體西路北側綠化帶內，終點位千和睦公園南側。管廊沿砂陽路、文藝路、東濱河路、小河沿路和長安路敷設，途經南湖公園、魯迅兒童公園、青年公園、萬柳塘公園和萬泉公園，全長約12.8 km。
2、系統設計需求和設計原則
2.1 設計需求
地下綜合管廊是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”，綜合管廊屬于地下封閉空間，一旦發生火災等事故后果嚴重，搶修難度很大，為保證綜合管廊的安全運行，需提前做好事故災害的預防與應急響應；提高智能化監控、協調及運維管理水平，建設一套穩定、可靠、完善的綜合管廊智能監控報警與運維管理系統是十分必要的。
住建部及時修訂并頒布實施的《城市綜合管廊工程技術規范》（GB50838-2015），對綜合管廊監控與報警系統的設計做出了明確要求：綜合管廊的監控與報警系統要能夠實現管廊內環境監測、設備監控、安全防范、災害預警與報警等功能，為管廊運行提供準確信息和動態管理數據，對綜合管廊突發事件的處置提供決策依據， 為管廊的安全運行及管理提供技術保證。
南運河段綜合管廊工程項目由中建管廊運營管理公司負責建設管理與運維管理，對項目監控與報警系統在進行深化設計前， 與設計總包單位共同編制了《工程用戶需求書》。提出了明確的建設需求：本綜合管廊項目必須實現智能化運維管理，突出安全監控管理，設置智慧管廊運維系統綜合管理平臺。對地下綜合管廊進行信息化管理， 為管廊規劃設計、管廊工程管理、管廊管線管理、管廊設施管理、管廊運維管理和應急指揮等提供智能、高效、穩定的信息服務綜合管理平臺。
2.2設計原則
綜合管廊智能監控報警與運維管理系統是一個綜合性、復雜性很強的控制與管理系統， 各子系統之間由于采用的技術體系與標準不一， 導致兼容互通困難、集成復雜多變。為此， 在上述設計需求分析基礎上， 制定出如下系統設計原則：
（1）認真執行國家規范、標準， 積極貫徹執行國家綠色節能和可持續發展的政策， 做到技術先進、經濟合理、實用可靠、靈活局效。
（2）以增強綜合管廊的科技功能和提升其應用價值為目標，以綜合管廊的功能類別、管理需求及建設投資為依據，系統具有兼容性、可擴展性、易維護性及靈活性。
（3）智能監控報警與運維管理系統應兼顧管廊安全、可靠運行，管理有效，構建綜合管廊目前和未來發展需要的綜合管理平臺，保證其體系架構和應用系統能構建在具有遠期發展規劃的應用平臺基礎上，監測、運行信息反饋不間斷和低成本、高效率維護管理效果。
（4）系統所選用的硬件設備須滿足管廊惡劣使用環境要求，能夠可靠、穩定地工作，具有防塵、防腐蝕、防潮濕、防凝露、抗震、抗電磁和靜電干擾等能力，采用工業級、局防護等級的產品。
（5）軟件的設計充分考慮系統的先進性、可靠性、安全性、穩定性、可擴展及可維護性， 并具有故障診斷、在線修改、離線編輯等功能。人機界面采用漢語版、操作方便的人機界面。
（6）系統采用標準通信接口，采用標準的、開放式的通信協議。
3、系統設計
3.1設計理念
南運河段綜合管廊智能監控報警與運維管理系統的設計理念是：以各類智能化監控設備為基礎，數據融合分析應用為手段，運用智能感知和物聯網、光纖傳輸、多媒體、軟件開發、BIM、GIS 應用以及虛擬現實等先進技術，建立智能監控報警統一的綜合管理平臺，通過智能監控報警與運維管理系統對綜合管廊內的設施運行、實時環境、出入□及入廊工作人員等進行在線監測，實現綜合管廊監測控制、運維管理的智能化、自動化，保障管廊內環境、設備、管線的安全運行，以及入廊工作人員的人身安全。提升南運河段綜合管廊的智能化和信息化水平，努力打造沈城第1條＂智慧管廊”。
針對南運河段綜合管廊工程項目緊沿南運河并有幾次往返穿越，管廊內濕度大、腐蝕性強、電磁干擾多等環境復雜情況，系統的核心設備采用高適應性一體化集成設計產品及模塊化產品，以“超前設計、適度預留、功能分散、數據集中”為設計思想貫穿于始終。
3.2系統構成
綜合管廊智能監控報警與運維管理系統是一個深度集成的自動化監控平臺，其以智慧管廊綜合管理平臺為核心，通過各系統光纖環網，將以下子系統深度集成為一個統一的、完整的自動化綜合監、管、控平臺系統。
（1）智能化集成系統—智慧管廊綜合管理平臺。
（2）環境與設備監控系統。
（3）安全防范系統： 視頻監控系統、入侵報警系統、出入□控制系統、在線式電子系統、電子井蓋監測系統。
（4）通信系統：IP電話系統、無線AP及人員定位系統。
（5）BIM 與GIS集成系統。
（6）智能機器人巡檢系統。
（7）預警與報警系統（略）：火災自動報警系統、可燃氣體報警系統、入廊管線監控系統等（預留接□）
（8）機房工程（數據中心）。
系統架構分為設備感知層、網絡傳輸與控展應用層， 如圖2 所示。可分為管廊監控報警與管廊運維管理兩大部分：管廊監控報警系統包含在線監測、安全監管與預警、應急處置等系統，管廊運維管理主要包括管廊自身運維管理（ 含管廊本體和附屬設施） 和入廊管線運維管理等。
（1）設備感知層：感知來自管廊本體設施、設備，以及電力、給水、通信、熱力、燃氣等系統的各種數據。
（2）傳輸與控制層：由物聯網區域控制單元ACU、光纖環網提供無線、有線通信等可靠傳輸通道。
（3）運維管理層：通過一個＂一體化綜合管理平臺” 集成環境與設備監控系統、安全防范系統、通信系統、智能機器人巡檢系統、預警與報警系統五大系統模塊，實現系統的集成式應用。
（4）擴展應用層：管理部門和六大管線單位（給水、中水、電力、通信、熱力和燃氣）的專業管線運行會影響到管廊本體設施或其他專業管線的安全運行，因此在擴展應用層提供多種數據接口、通信接口，可縱向、橫向與多部門、多系統之間完成數據通信， 實現信息的互通、共享與聯動。
3.3智慧管廊綜合管理平臺
智慧管廊綜合管理平臺采用的是中國建筑智慧管廊運維管理平臺，為我公司自主研發的一款針對智慧管廊建設的一體化綜合管理平臺。該平臺軟件是基于物聯網的 智能監控報警與運維管理一體化技術，具有可裁剪、可擴展、可兼容第三方廠家應用軟件的功能特點。成功地解決了眾多品牌相互兼容性差、各系統集成與融合困難、協議與接□ 標準不統一等諸多問題。
綜合管理平臺包含三維基礎平臺、數據中心及與地理信息系統GIS、建筑信息模型BIM集成接口等內容，從而提供管廊位置、內部結構、附屬設施以及廊內管線的瀏覽、查詢、統計和漫游等服務的三維平臺支撐，統籌管理空間數據、安全預警與監管數據、應急處置數據等主數據及主題數據， 提供數據共享服務， 實現GIS 、BIM 集成。
3.3.1平臺的技術路線
中國建筑智慧管廊綜合管理平臺是在管廊建設相關標準和規范前提下， 以支持管廊全生命周期的運維管理為目標。采用B/S的構架下模塊化設計， 將新一代信息技術，特別是將建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）、人工智能（AI） 、物聯網（LOT）技術深度融合， 集成應用于綜合管廊的智慧化監控報警與運維管理，開創了國內綜合管廊運維管理中Web+BIM+GIS+AI+LOT集成運用的先河， 實現了互聯網下海量空間數據的實時可視化。給客戶帶來全新的真實現場感和交互感。中國建筑智慧管廊綜合管理平臺整體架構如圖3所示。
3.3.2 管理平臺的功能模塊
中國建筑智慧管廊綜合管理平臺軟件系統由一系列基于服務器和操作站的軟件模塊和多個功能模塊組成， 軟件模塊主要包括數據庫管理模塊、中間件模塊、雙機管理模塊等；功能模塊主要包括綜合展示（2D/3DGIS+BIM）、管廊本體監控、管廊設備管理、BIM 運維管理、經營辦公管理、應急指揮、移動應用APP巡檢、智能機器人巡檢等功能模塊。
3.3.3平臺特色與優勢
除了前面闡述的平臺技術路線外，中國建筑智慧管廊綜合管理平臺還具有以下特點：
（1）二三維聯動： 將微觀的BIM精細化建筑模型同宏觀的GIS影像圖相結合， 兩者優勢互補。
（2）BIM模型輕量化：BIM模型通過數據動態裝載技術使多分辨率層次模型自動生成。通過平臺進行BIM 數據的輕量化處理，解決了傳統BIM輕量化轉化過程中數據的丟失、異常等問題。
（3）BIM ＋3DGIS集成技術：利用BIM與3DGIS技術集成來共同解決管廊信息化的問題。
（4）創建協作平臺： 利用BIM技術， 創建綜合管廊的三維數字化信息模型， 借助于計算機甚至移動終端設備，即可方便進行管廊內部三維展示、管線碰撞檢測、管線入廊方案模擬等協調工作。
3.4環境與設備監控系統
3.4.1系統概述
環境與設備監控系統主要對綜合管廊內氣體、溫濕度、液位等環境參數及設備進行監測、報警及聯動控制。通過集成式區域控制單元（ACU）將氣體濃度、溫濕度等
參數實時上傳至監控中心， 同時聯動風機、水泵等，為管廊內人身與設備營造一個安全健康的運維環境。環境與設備監控系統架構如圖４所示。
3.4.2環境與設備監控系統設置原則
（1）環境與設備區域控制單元： 在每個工藝井（轄2 個防火分區）設置弱電間， 內設區域控制單元（ACU）
（2）氣體探測器：在每個分區每艙設置氣體探測器： 包括氧氣傳感器、硫化氫傳感器（僅水信艙）及甲烷傳感器（僅燃氣艙）。
（3）溫濕度檢測儀：在每個分區每艙設置1套溫室檢測儀。
（4）液位開關：在每個集水坑設置1套液位檢測開關。
（5）人員出入□僅設置硫化氫傳感器及甲烷傳感器。
（6）逃生通道設置溫濕度、氧氣檢測儀。
3.4.3系統設備配置
環境與設備監控系統單獨組建網絡，環境與設備區域控制單元與監控中心接入交換機， 組成高速光纖自愈環網，系統設計采用2層網絡架構。現場檢測儀表，各監控設備狀態、控制信號等由線纜通過10模塊或總線模塊接入ACU 完成各種檢測和控制功能。
3.4.4系統設備技術要求環境與設備區域控制單元
對管廊現場環境監測數據集中監測、傳輸， 針對沈陽南運河段綜合管廊潮濕凝露、電磁干擾強、污穢嚴重的惡劣場合，設計采用新一代高防護等級、高集成度的ACU。其充分利用大規模集成電路模塊、SOC片上系統等當前先進的電子技術，PLC、交換機、電源等設備的采集、控制、通信等接口 集成為一體，減少中間連接線，進一步提高可靠性。ACU 外殼防護等級達 到IP67 , 所有輸入輸出接口均采用隔離設計，滿足EM C 電磁兼容工業 LEVEL4級的設計要求，并且具有網絡冗余、組網靈活、體積小等特點。滿足惡劣條件下高可靠的應用需求。
對于防排煙系統與通風系統共用設備，由環境與設備監控系統進行監控，火災時由火災自動報警系統向環境與設備監控系統發送火災模式指令，由環境與設備監控系統對其進行火災模式控制。
3.5 安全防范系統
安全防范系統主要設計范圍包括視頻監控系統、入侵報警系統、出入口控制系統、在線式電子系統及電子井蓋監測系統。安全防范系統架構如圖5所示。
3.5.1視頻監控系統
視頻監控系統由網絡攝像機、安防區域控制單元、視頻管理服務器、網絡硬盤錄像機 (NVR)、綜合管理平臺等組成。系統對管廊內部環境、管廊出入口、設備間等重要位置處實施監控，滿足監視頻畫面的流暢度和實時性。
3.5.2入侵報警
出入口控制系統為加強對綜合管廊的安防管理，防止非法入侵，在每個艙每個防火分區的投料口、通風口、人員出入口等處設置主動紅外入侵探測器或微波紅外雙鑒探測器；在人員出入口、重要機房等處設置門禁系統。接入安防區域控制單元的入侵報警、出入口控制系統，通過安防環網與綜合管理平臺聯網。
3.5.3在線式電子與移動APP巡檢系統
除天燃氣艙外，其他艙室設置無線AP信號覆蓋系統， 在工業智能手機上安裝相應的 APP 軟件，通過通信系統實現無線語音通話功能，同時實現人員定位、巡檢，自動記錄巡檢人員所到地點的準確時間和位置，綜合管理平臺自動生成巡檢數據，實現在線式實時管理的目的。移動APP 巡檢系統可實現管廊日常巡檢、巡檢個人任務管理、歷史記錄查看、數據查看、巡檢上報、到崗簽到、定向呼叫、臺賬查詢等功能。
4、安科瑞產品在綜合管廊運維管理系統的應用
4.1火災報警系統
火災報警系統在整個管廊智能化系統監控中也具有重要性建設應用意義，要想保障整個系統應用的監控管理能力提升，就應該在系統應用中，及時將系統應用內的火災警報監督控制管理工作優化。火災自動報警系統包括:火災自動報警系統、防火門監控系統、電氣火災監控系統。
電氣火災監控系統（管廊地下部分）產品選型
Acrel-6000電氣火災監控系統由Acrel-6000系列監控設備、ARCM200BL、ARCM200L系列監控探測器和配套附件組成。系統各設備之間均采用RS485總線進行連接，施工布線簡單方便。
Acrel-6000/B1電氣火災監控設備簡介
電氣火災監控系統組網
注：地下管廊使用的動力箱/柜符合管廊相關標準，防護等級達IP65
4.2 環境及設備監控系統
在綜合管廊智能化建設管理中，為了將整體的智能化管廊建設工作開展性能提升，需要在管廊建設中，對其對應區域內的設備運行以及對應的環境監測工作開展進行分析，并且在分析中，按照具體的管廊建設處理中的設備控制進行科學的系統監控規劃。該部分環境監控系統的實施中，系統對應的環境及設備監控共分為以下幾點：一是環境監測設備；二是排水設備；三是通風設備；四是照明設備，只有將對應的環境監測設備和監控系統運行系統建設好，才能保障在系統的監控運行中，將整個系統應用的監督控制管理能力發揮出來。
安科瑞配電室綜合監控系統，可實現管廊內智能開關柜運行監控、高壓開關柜帶電顯示、電流電壓等負載運行監控、母線測溫監測、電纜測溫監測、環境監測、有害氣體監測、安防監控、取暖通風、門禁、燈光、風機、除濕機、空調控制等功能。實現動力環境各數據的檢測與設備控制，實現動力環境優化，避免運行環境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，減少配電室粗放式管理導致成本過高，同時實現配電動力環境的分布式遠程管理。
4.2.1系統結構
配電室綜合監控系統以智能控制為核心，通過物聯網技術的集成應用，實現配電室內環境的全天候狀態監視和智能控制。系統由485通信和網絡通信混合組網，完成站端視頻、環境數據以及安全防范等數據的采集和監控，適配于當下多種應用場景。
系統結構
系統遵循物聯網分層分布式物理體系，即設備層、網絡層、站控層，構建而成完全一體化的智慧管理平臺系統。
監控系統架構采用平臺化SOA架構，具有良好的可擴展性。當數據接入量大或者訪問用戶數大的時候，可以通過部署多個應用實例來提高系統服務能力。同時可根據用戶的使用要求，靈活配置運行的服務組件。
在一個區域內部署時的典型場景如下圖，配電室的各類智能檢測設備通過有線或無線網絡連接到監控中心，單個配電室或箱變的監測數據可集中上傳到監控中心或者物聯網平臺。
4.2.2監控范圍
系統把環境、視頻、通風、照明、安全防范、消防、一次設備輔助監控等所有監控量在系統主界面上進行一體化顯示和控制，避免各系統孤立顯示和控制。
1. 環境監控子系統
配電室綜合監控設備安裝在配電室、箱變、變電所內，通過采集和傳輸技術，可以實時監測配電室內的重要場所和設備的工作環境，如溫度、濕度、電纜溝水位、漏水/水浸、有害氣體(SF6，H2S，NO，CO，O2，O3)、TVOC、煙霧、明火、人體感應、噪聲等。
當檢測到環境量出現異常時，可及時顯示、報警，并可通過通信網絡將數據上傳至系統平臺。根據預先設置的上下限值，聯動控制空調、視頻、燈光、加熱裝置、除濕器、通風機、聲光報警等設備。保障配電室場所的電力設備安全運行。防止因環境改變、非授權活動、設備狀態變化等引起的事故，滿足配電室遠程運維的可靠管控要求。為新型現代化配電室的智能化、可視化、自動化、互動化做有效支撐。
站端設備包含各種傳感器（溫度、濕度、漏水、水位、有害氣體等）。系統平臺可以直觀的顯示出被監測量的大小或狀態，以及被監測量的實時值或各種故障發生的情況。
告警功能：在監控中心對環境參量超過預設值時發出視聽告警，在監控系統的人機界面上閃爍顯示，同時可以提供警示燈、報警音箱、語音、短信通知等多種告警方式。
設備狀態檢測：系統可以實時監控配電室內各監測設備（傳感器）以及通信線路，自動診斷設備及鏈路故障，并實時顯示在界面上。
數據查詢：環境監測數據、狀態監測數據及遠程控制數據的歷史數據查詢。
2. 消防監控子系統
煙霧、溫感、明火等火災消防信息的接入，聯動聲光報警器進行報警，以及通過短信方式自動通知值班維護人員。
3. 安防監控子系統
紅外雙鑒、紅外對射、震動、門磁等安防相關設備接入 ，并可實時播放告警語音、發送提醒短信等。
4. 無線測溫子系統
無源無線測溫產品由主機（或收發器）和傳感器兩部分組成。主要應用在高低壓開關柜內母排搭接點，斷路器觸頭、電纜接頭、大電流設備等電氣連接點和其他易過熱點等位置的溫度檢測，并把測量結果通過網絡上傳到監控中心數據庫服務器，通過軟件分析能夠對溫度過高發出告警信息，實現溫度故障的早期預測，防患于未然。
5. 饋線監測子系統
可以監測開關柜局放和饋線回路的開關狀態、溫度、電壓、電流、功率、功率因數、有功、無功、諧波、電能量采集等。支持設置上下限的告警值，實現語音播放、發送短信等聯動提醒方式。
6. 變壓器監測子系統
變壓器三相繞組溫度檢測、風機運行狀態、震動檢測。支持設置上下限的告警值，實現語音播放、發送短信等聯動提醒方式。
7. 視頻監控子系統
視頻監控采用數字監控系統，實現專業監控功能。支持海康主流硬盤錄像機和數字高清攝像機系列產品。
8. 溫濕度控制子系統
溫濕度控制器運用傳感器檢測柜內的溫度與濕度值，并通過控制外接的風扇與加熱器對溫度與濕度值進行調節，可有效防止因低溫、高溫造成的設備故障以及受潮或結露引起的爬電、閃絡事故的發生。
9. 門禁控制子系統
系統支持人員進入出去時間人員記錄，系統提供設備或網絡故障報警、非法闖入報警、門開超時報警、非法刷卡報警以及脅迫報警等。
10. 空調節能控制子系統
可以控制空調開機、關機、升溫、降溫等，并能夠直接調整空調的溫度值。
11. 燈光控制系統子系統
可以遠程控制燈光的關閉和打開。
12. 其他控制功能
水泵控制。
加熱器控制。
聲光報警器控制：遠程控制啟動和關閉，避免擾民。
風機控制：實現對主、副新風機的智能控制。
除濕機控制：室內除濕機控制以及與濕度聯動。
其它設備控制。
4.2.3硬件選型
5、結束語
當今城市綜合管廊監控與報譬系統的設計，應立足于運用先進的物聯網技術，集成通信、數據、安全、管理及應用等方面，引入新一代信息化、BIM 與GIS集成化等技術， 構建一體化綜合管理（系統）平臺，實現管廊的感知，智能監測、智能響應、智慧管理， 從而實現智慧管廊，完成智慧城市的重要一環。
參考文獻
【1】鄭立寧．城市地下綜合管廊運維管理．
【2】李朝棟，孟冰，何赫.綜合管廊智能監控報警與運維管理系統設計
【3】安科瑞企業微電網設計及應用手冊.2020.06版
【4】吳恩遠,周中. 電氣火災監控系統設計與應用圖集 2012.8
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監測及剩余電流監測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）
